Sự Vận Chuyển Oxygen Và Carbon Dioxide Trong Máu Và Các Dịch Mô (Phần 3)

Sự vận chuyển oxygen từ các phổi đến các mô cơ thể

Sử dụng oxygen cho chuyển hóa bởi các tế bào

Sự kết hợp của hemoglobin với carbon monoxide – sự thế chỗ O₂

Carbon monoxide (CO) kết hợp với hemoglobin ở cùng điểm trên phân tử hemoglobin với O₂; vì thế nó có thể loại bỏ O₂ khỏi hemoglobin và làm giảm khả năng mang O₂ của máu. Hơn thế nữa, nó liên kết với khoảng 250 lần mức độ vững chắc so với O₂, mà được thể hiện bởi đường cong phân ly CO-hemoglobin trong Hình 1. Đường cong này thì gần như giống với đường cong phân ly O₂-hemoglobin ngoại trừ là các áp suất riêng phần CO, được thể hiện trên các tọa độ, là ở một mức 1/250 của đường cong phân ly O₂-hemoglobin của Hình 8, phần 1. Vì thế, một áp suất riêng phần CO chỉ khoảng 0.4 mm Hg trong các phế nang, 1/250 áp suất riêng phần của O₂ phế nang bình thường (100 mm Hg PO2), cho phép CO tranh chấp một cách ngang bằng với O₂ trong việc kết hợp với hemoglobin và làm cho 50% hemoglobin trong máu trở nên liên kết với CO thay vì với O₂. Vì thế, một áp suất CO chỉ 0.6 mm Hg (một nồng độ thể tích <một phần/1000 trong không khí) có thể gây tử vong.

Mặc dù hàm lượng O₂ của máu bị giảm một cách đáng kể trong ngộ độc CO, nhưng P_O2 của máu có thể bình thường. Tình huống này khiến cho sự tiếp xúc với CO đặc biệt nguy hiểm bởi vì máu thì đỏ tươi, và có các dấu hiệu rõ ràng của hạ oxygen máu, như một màu hơi xanh tím của các đầu ngón tay hay môi (xanh tím da [cyanosis]). Ngoài ra, P_O2 thì không bị giảm, và cơ chế phản hồi mà thường kích thích một mức hô hấp trong đáp ứng với thiếu O₂ (thường được phản ánh bởi một P_O2 thấp) thì không có. Bởi vì não là một trong số các cơ quan đầu tiên bị ảnh hưởng bởi thiếu oxygen máu nên một người có thể trở nên mất định hướng và mất ý thức trước khi nhận thức được sự nguy hiểm.

Một bệnh nhân bị ngộ độc nghiêm trọng với CO có thể được điều trị bởi sử dụng O₂ tinh khiết bởi vì O₂ ở áp suất phế nang cao có thể đẩy CO nhanh chóng khỏi sự kết hợp của nó với hemoglobin. Bệnh nhân cũng có thể có lợi từ việc sử dụng đồng thời của 5% CO₂ bởi vì điều này kích thích mạnh trung tâm hô hấp, điều mà làm tăng thông khí phế nang và làm giảm CO phế nang. Với liệu pháp O₂ và CO₂ tích cực, CO có thể được loại bỏ khỏi máu nhiều đến nhanh 10 lần so với khi không có điều trị.

Sự vận chuyển CO₂ trong máu

Sự vận chuyển CO₂ bởi máu thì gần như không trở thành vấn đề như sự vận chuyển O₂ là bởi vì ngay cả trong hầu hết các tình trạng bất thường, CO₂ có thể thường được vận chuyển với các lượng lớn hơn nhiều so với O₂. Tuy nhiên, lượng CO₂ trong máu có nhiều để thực hiện cân bằng acid-base của các dịch cơ thể mà được bàn đến trong loạt bài viết trước. Dưới các điều kiện nghỉ ngơi, một trung bình là 4 ml CO₂ được vận chuyển từ các mô đến các phổi trong mỗi 100 ml máu.

Các dạng hóa học mà CO₂ được vận chuyển

Để bắt đầu quá trình vận chuyển CO₂, CO₂ khuếch tán ra khỏi các tế bào mô trong dạng CO₂ phân tử hòa tan. Khi đi vào trong các mao mạch mô, CO₂ khởi động nhiều gần như một cách tức thời các phản ứng hóa học và vật lý, được thể hiện trong Hình 2, mà cần thiết cho sự vận chuyển CO₂.

Sự vận chuyển CO₂ trong trạng thái hòa tan

Một phần nhỏ của CO₂ được vận chuyển trong trạng thái hòa tan đến các phổi. Nhớ lại là P_CO2 của máu tĩnh mạch là 45 mm Hg và của máu động mạch là 40 mm Hg. Lượng CO₂ hòa tan trong dịch của máu ở 45 mm Hg là khoảng 2.7 ml/dl (2.7 phần trăm thể tích). Lượng hòa tan ở 40 mm Hg là khoảng 2.4 ml, hay một sự chênh lệch là 0.3 ml. Vì thế, chỉ khoảng 0.3 ml CO₂ được vận chuyển ở dạng hòa tan bởi mỗi 100 ml lưu lượng máu. Lượng này bằng khoảng 7% tổng số CO₂ bình thường được vận chuyển.

Sự vận chuyển CO₂ ở dạng ion bicarbonate

Carbonic anhydrase xúc tác phản ứng của CO₂ với nước trong các tế bào hồng cầu. CO₂ hòa tan trong máu phản ứng với nước để hình thành nên carbonic acid. Phản ứng này sẽ xảy ra quá chậm chạp để trở nên quan trọng nếu nó không có một enzyme được gọi là carbonic anhydrase bên trong các tế bào hồng cầu, mà xúc tác cho phản ứng giữa CO₂ và nước và làm tăng cường tốc độ phản ứng lên khoảng 500 lần. Vì thế, thay vì cần nhiều giây hay nhiều phút để xảy ra, như trong huyết tương, thì phản ứng xảy ra trong các tế bào hồng cầu nhanh đến nỗi nó đến cân bằng gần như tức thời trong vòng một phần nhỏ của một giây. Hiện tượng này cho phép các lượng CO₂ khổng lồ phản ứng với nước của các tế bào hồng cầu, ngay cả khi trước khi máu rời khỏi các mao mạch mô.

Sự phân ly của carbonic acid thành bicarbonate và ion hydrogen. Trong một phần giây tiếp theo, carbonic acid hình thành trong các tế bào hồng cầu (H₂CO₃) phân ly thành các ions H⁺ và bicarbonate (H⁺ và HCO₃^–). Hầu hết ion H⁺ sau đó kết hợp với hemoglobin trong các tế bào hồng cầu bởi vì protein hemoglobin là một đệm acid-base mạnh mẽ. Tiếp theo, nhiều trong số các ion HCO₃^– khuếch tán từ các tế bào hồng cầu vào trong huyết tương trong khi các ions chlorides khuếch tán vào trong các tế bào hồng cầu để thay thế chúng. Sự khuếch tán này được tạo ra bởi sự có mặt của một protein mang bicarbonate-chloride (bicarbonate-chloride carrier protein) đặc hiệu trong màng tế bào hồng cầu mà trao đổi hai ion này theo các hướng ngược nhau ở các vận tốc nhanh. Vì thế, hàm lượng chloride của các tế bào hồng cầu tĩnh mạch thì lớn hơn của các tế bào máu động mạch, một hiện tượng được gọi là sự dịch chuyển chloride (chloride shift).

Sự kết hợp có thể đảo ngược của CO₂ với nước trong các tế bào hồng cầu dưới tác động của carbonic anhydrase chiếm khoảng 70% CO₂ được vận chuyển từ các mô đến các phổi. Vì thế, phương tiện vận chuyển CO₂ này là quan trọng nhất. Trong thực tế, khi một chất ức chế carbonic anhydrase (như acetazolamide) được sử dụng cho một động vật để chặn hoạt động của carbonic anhydrase trong các tế bào hồng cầu, sự vận chuyển CO₂ từ các mô trở nên yếu đến nỗi P_CO2 mô có thể tăng đến 80 mm Hg thay vì 45 mm Hg bình thường.

Sự vận chuyển CO₂ trong sự kết hợp với proteins của huyết tương và hemoglobin – carbaminohemoglobin. Ngoài phản ứng với nước, CO₂ phản ứng một cách trực tiếp với các gốc amine của phân tử hemoglobin để hình thành nên hợp chất carbaminohemoglobin (CO₂Hgb). Sự kết hợp này của CO₂ và hemoglobin là một phản ứng có thể đảo ngược mà xảy ra với liên kết lỏng lẻo, vì thế, CO₂ thì được giải phóng một cách dễ dàng vào trong các phế nang, nơi mà P_CO2 thì thấp hơn trong các mao mạch phổi.

Lượng CO₂ nhỏ cũng phản ứng theo cách giống với các proteins huyết tương trong các mao mạch mô. Phản ứng này thì ít có ý nghĩa hơn nhiều đối với sự vận chuyển CO₂ bởi vì lượng của các proteins này trong máu thì chỉ bằng một phần bốn so với lượng hemoglobin.

Lượng CO₂ mà có thể được mang từ các mô ngoại vi đến các phổi bởi sự kết hợp carbamino với hemoglobin và các proteins huyết tương là khoảng 30% của tổng lượng được vận chuyển – nghĩa là, bình thường khoảng 1.5 ml CO₂ trong mỗi 100 ml máu. Tuy nhiên, bởi vì phản ứng này thì chậm hơn nhiều so với phản ứng của CO₂ với nước bên trong các tế bào hồng cầu nên người ta nghi ngờ rằng dưới các điều kiện bình thường, cơ chế carbamino này vận chuyển nhiều hơn 20% của tổng lượng CO₂.

Đường cong phân ly carbon dioxide

Đường cong được thể hiện trong Hình 3, đường cong phân ly CO₂ (CO₂ dissociation curve), phản ánh sự phụ thuộc của tổng lượng CO₂ máu trong tất cả các dạng ở nó lên P_CO2. Chú ý rằng P_CO2 bình thường nằm trong một khoảng hẹp là 40 mm Hg trong máu động mạch và 45 mm Hg trong máu tĩnh mạch. Cũng chú ý rằng nồng độ CO₂ bình thường trong máu trong tất cả các dạng khác nhau của nó là khoảng 50 phần trăm thể tích, nhưng chỉ 4 phần trăm thể tích trong số này là được trao đổi trong suốt sự vận chuyển CO₂ bình thường từ các mô đến các phổi. Nghĩa là, nồng độ răng lên khoảng 52 mm Hg phần trăm thể tích khi máu đi qua các mô và giảm xuống khoảng 48 phần trăm thể tích khi nó đi qua các phổi.

Khi oxygen liên kết với hemoglobin, CO₂ được giải phóng (hiệu ứng Haldane [Haldane effect]) để làm tăng sự vận chuyển CO₂

Trước trong loạt bài viết này, chúng ta đã ghi nhận rằng một sự tăng lên trong CO₂ trong máu làm cho O₂ bị đẩy ra khỏi hemoglobin (hiệu ứng Bohr [Bohr effect]), là một yếu tố quan trọng trong việc làm tăng sự vận chuyển O₂. Điều ngược lại cũng đúng – sự liên kết của O₂ với hemoglobin có khuynh hướng đẩy CO₂ ra khỏi máu. Tác động này, được gọi là hiệu ứng Haldane, thì có tầm quan trọng hơn nhiều về mặt định lượng trong việc tăng cường sự vận chuyển CO₂ so với hiệu ứng Bohr trong việc tăng cường sự vận chuyển O₂.

Hiệu ứng Haldane do sự kết hợp của O₂ với hemoglobin trong các phổi làm cho hemoglobin trở thành một acid mạnh. Điều này làm đẩy CO₂ khỏi máu và vào trong các phế nang theo hai cách. Đầu tiên, tính acid của hemoglobin càng mạnh thì càng có ít khuynh hướng kết hợp với CO₂ để hình thành nên carbaminohemoglobin, vì thế, đẩy hầu hết CO₂ mà xuất hiện ở dạng carbamino đi ra khỏi máu. Thứ hai, hoạt động tăng lên của hemoglobin cũng làm cho nó giải phóng một lượng H⁺ dư và các ions này kết hợp với HCO₃^– để hình thành nên carbonic acid, mà sau đó phân ly thành nước và CO₂ và CO₂ được giải phóng khỏi máu vào trong các phế nang, và cuối cùng, vào trong không khí.

Hình 4 cho thấy tầm quan trọng định lượng của hiệu ứng Haldane lên sự vận chuyển CO₂ từ các mô đến các phổi. Hình này cho thấy các phần nhỏ của hai đường cong phân ly CO₂; (1) khi P_O2 là 100 mm Hg, mà là trường hợp trong các mao mạch máu của các phổi; và (2) khi P_O2 là 40 mm Hg, mà là trường hợp trong các mao mạch mô. Điểm A cho thấy rằng P_CO2 bình thường là 45 mm Hg trong các mô tạo ra 52 phần trăm thể tích của CO₂ kết hợp với máu. Khi đi vào các phổi, P_CO2 giảm xuống 40 mm Hg và P_O2 tăng đến 100 mm Hg. Nếu như đường cong phân ly CO₂ không dịch chuyển do hiệu ứng Haldane, hàm lượng CO₂ của máu sẽ giảm chỉ đến 50 phần trăm thể tích, mà là một sự mất chỉ 2 phần trăm thể tích CO₂. Tuy nhiên, sự tăng lên trong P_O2 trong các phổi làm hạ đường cong phân ly CO₂ từ đường cong trên đỉnh đến đường cong thấp hơn của hình, vì thế, hàm lượng CO₂ giảm xuống 48 phần trăm thể tích (điểm B). Điều này cho thấy hai phần trăm thể tích thêm bị mất của CO₂. Vì thế, hiệu ứng Haldane gần như làm tăng gấp đôi lượng CO₂ được giải phóng từ máu trong các phổi và gần gấp đôi lượng CO₂ được nhận trong các mô.

Sự thay đổi trong tính acid của máu trong suốt quá trình vận chuyển CO₂

Carbonic acid được hình thành khi CO₂ đi vào trong máu trong các mô ngoại vi làm giảm pH của máu. Tuy nhiên, phản ứng của acid này với các đệm acid-base của máu ngăn cản nồng độ H⁺ không tăng lên quá nhiều (và pH không giảm quá nhiều). Thông thường, máu động mạch có một pH là khoảng 7.41 và khi máu nhận CO₂ trong các mao mạch mô thì pH giảm đến một giá trị của tĩnh mạch là khoảng 7.37. Nói cách khác, một sự thay đổi pH là 0.04 đơn vị diễn ra. Điều ngược lại xảy ra khi CO₂ được giải phóng từ máu trong các phổi, với pH tăng đến giá trị động mạch là 7.41 một lần nữa. Trong suốt quá trình gắng sức mạnh hay các tình trạng hoạt động chuyển hóa cao khác, hay khi lưu lượng máu qua các mô thì hơi trì trệ, sự giảm trong pH trong máu mô (và trong chính các mô) có thể nhiều đến 0.5, khoảng 12 lần bình thường, vì thế, gây ra tình trạng nhiễm toan mô đáng kể (tissue acidosis).

Tỷ số trao đổi hô hấp (respiratory exchange ratio)

Sinh viên thông minh sẽ chú ý rằng sự vận chuyển O₂ bình thường từ các phổi đến các mô bởi mỗi 100 ml máu là khoảng 5 ml, ngược lại, sự vận chuyển CO₂ bình thường từ các mô đến các phổi là khoảng 4 ml. Vì thế, dưới các điều kiện nghỉ ngơi, chỉ khoảng 82% CO₂ được thở ra từ các phổi khi O₂ được hấp thu bởi các phổi. Tỷ số CO₂ thở ra với O₂ hấp thu vào được gọi là tỷ số trao đổi hô hấp (respiratory exchange ratio – R). Nghĩa là:

R = (Mức loại bỏ carbon dioxide)/(Mức hấp thu oxygen)

Giá trị R thay đổi dưới các tình trạng chuyển hóa khác nhau. Khi một người đang sử dụng carbohydrate một cách hoàn toàn cho sự chuyển hóa cơ thể, R tăng đên 1.00. Ngược lại, khi một người đang sử dụng các chất béo một cách hoàn toàn cho năng lượng chuyển hóa thì mức R giảm thấp đến 0.7. Nguyên nhân cho sự khác biệt này là khi O₂ được chuyển hóa với carbohydrates thì một phân tử CO₂ được hình thành đối với mỗi phân tử O₂ được tiêu thụ; khi O₂ phản ứng với chất béo, một phần lớn O₂ kết hợp với các nguyên tử hydrogen từ các chất béo để hình thành nên nước thay vì CO₂. Nói cách khác, khi chất béo được chuyển hóa, tỷ số hô hấp của các phản ứng hóa học trong các mô là khoảng 0.7 thay vì 1.00. (Tỷ số hô hấp mô được nói đến trong các bài viết sau). Đối với một người có một chế độ ăn bình thường tiêu thụ các lượng trung bình của carbohydrates, chất béo và proteins, giá trị trung bình đối với R được cho là 0.825.

Các bạn có thể xem bài viết mới trên Facebook tại đây: https://www.facebook.com/61550892771585/

Các bạn có thể xem bài viết trước tại đây: https://docsachxyz.com/su-van-chuyen-oxygen-va-carbon-dioxide-trong-mau-va-cac-dich-mo-phan-2/

Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết. Hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo nhé !!!